EP0834476A2 - Verfahren und Anordnung zum Abbau organischer Abwasser-Schadstoffe - Google Patents

Verfahren und Anordnung zum Abbau organischer Abwasser-Schadstoffe Download PDF

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EP0834476A2
EP0834476A2 EP97117194A EP97117194A EP0834476A2 EP 0834476 A2 EP0834476 A2 EP 0834476A2 EP 97117194 A EP97117194 A EP 97117194A EP 97117194 A EP97117194 A EP 97117194A EP 0834476 A2 EP0834476 A2 EP 0834476A2
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EP
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redox potential
wastewater
waste water
value
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    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/006—Regulation methods for biological treatment
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
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    • C02F2209/06—Controlling or monitoring parameters in water treatment pH
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    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for the degradation of organic Waste water pollutants using freely suspended bacteria according to the generic term of claim 1 or claim 8.
  • So-called partial-aerobic processes in which the aeration of the wastewater and, where appropriate, the addition of minimum substances to the wastewater, are carried out under the control of the redox potential, for the reduction of organic dirt loads in highly concentrated wastewater.
  • the enzymes of the respiratory chain of the bacteria or microorganisms are particularly active under the conditions of the partial aerobic process. Only a comparatively small proportion of the pollutants are used to build up biomass. The majority of the pollutants are converted directly into carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O). It is important that the amount of air supplied is dosed so that the bacteria can lead the redox potential of their medium to optimal and breathable conditions. It has been found that increasing the redox potential by increasing the air supply can lead to increased floc formation.
  • the invention is based on the object, the known partial aerobic method and Arrangement to improve its implementation so that an extremely high, possibly even optimal degradation rate of the pollutants without significant flocculation itself strong pH fluctuations in the wastewater is achieved.
  • the invention is based on the knowledge that the bacteria or microorganisms develop their full degradation activity when the pH values fluctuate, if a certain relationship is maintained between the redox potential and pH values becomes. In other words, the redox potential and pH do not need to be constant to be held if their change is interdependent.
  • the invention supports the microorganism culture in this, after strong pH changes to set an equilibrium pH value for a relatively short time. Belongs to this pH a predetermined redox potential, which is determined by regulating the amount of air supplied, d. H. of the supplied atmospheric oxygen is set.
  • the pH value and redox potential are automatically matched to one another, that the microorganisms optimal living conditions in the reaction space and in Find waste water. If, for example, the pH value drops to 6.9, it changes the redox potential of the supplied atmospheric oxygen to a correspondingly changed value, for example regulated -150 mV. It has been found that each pH is one for that Activity of the microorganisms is assigned optimal redox potential. This characteristic of pH value in relation to the corresponding redox potential can be set without difficulty predict. save and off during the regulation to form the reference variable the memory.
  • the arrangement for carrying out the method according to the invention is characterized by the features of claim 8 characterized.
  • a process computer with the pH value and the reprox potential is running continuously measuring means and is coupled to an actuator controlling the amount of air and has a storage device and that the process computer is designed so that it can Air volume supplied to the wastewater as a function of the measured redox potential values under control of the measured pH values according to one in the storage device stored predetermined relationship regulates.
  • the degradation conditions in the reaction space are continuously adjusted with the help of this arrangement so that the microorganism culture optimal atmospheric oxygen conditions or an optimal redox potential.
  • the control device should preferably be designed so that the redox potential with an accuracy of ⁇ 20 mV to the optimal redox potential value belonging to the actual pH value sets.
  • a great advantage of the method according to the invention and the associated arrangement is that highly and highly contaminated wastewater with large fluctuations in the pH value can be fed to the reaction chamber.
  • the COD concentration can range from 3,000 to over 100,000 mg / O 2 / l. Even with very different pH values, the degradation of the organic pollutants takes place with a constant intensity, so that the method according to the invention is characterized by an exceptional stability. In extreme cases, the pH of the waste water can be between 3 and 12 without the need for essential neutralization measures.
  • the waste water purification according to the invention takes place in the embodiment shown in FIG. 1 in a high reactor 1 instead.
  • This is up to the level of an outlet 2 with the filled wastewater to be cleaned.
  • the high reactor 1 there is an inner tube at all sides 3 arranged with a substantially vertical axis.
  • the inner tube 3 is cylindrical in itself, but has an inlet funnel at the upper end.
  • the A ventilation nozzle arrangement 5 is provided at the open end of the inner tube 3.
  • Through the Aeration nozzle assembly 5 becomes treatment air in a manner described below essentially evenly distributed and discharged downwards into the wastewater to be cleaned.
  • the resulting air bubbles rise primarily in an even distribution outside of the inner tube upwards, which in the practically bubble-free inner tube through the Difference in density creates a downward flow.
  • Studies have shown that a flow velocity inside the inner tube 3 of 2.5 to 3.5 m / s is good Results.
  • the movement of the water-air mixture below the inner tube prevents deposits and blockages in the bottom area of the high reactor 1.
  • the relatively large height of the water level within the high reactor 1 favors the Exploitation of the oxygen supplied by the spray arrangement 5.
  • the oxygen utilization is approx. 55%.
  • Increased from a water column of approx. 14 m oxygen utilization is above 90%.
  • the partial aerobic method described with reference to FIG. 1 behaves extraordinarily stable. This is mainly because the bacteria are kept individual and can grow faster than comparable bacteria within an activated sludge flake.
  • the population of microorganisms in the high reactor 1 can vary within double a few hours and jump in concentration or different ingredients to adjust.
  • An additional equalization of the pollutants can be done by a Reach storage container 6, but, as the following description will show, in many Cases is superfluous.
  • the wastewater to be cleaned is a Pump 7 and an inlet 8 introduced into the interior of the high reactor 1.
  • the inlet 8 opens into the annular space between the reactor wall and inner tube 3.
  • a partial flow of wastewater from a feed pump 10 is sucked into a bypass 11 serving for measurement and control purposes.
  • Another partial flow is branched off behind the circulation pump 10 and via a Branch line 12 introduced into the area above the waste water level of the reactor 1 and sprayed from there to the water level. This allows foaming on the largely prevent the small surface of the high reactor anyway.
  • the branched waste water is fed to various sensors 14, 15 and 16 passed, passed through a heat exchanger 20 of a cooling circuit and optionally tempered there, at neutralizing agent metering points 23 and 24 and one Nutrient addition station 25 past and into a mixing chamber for mixing with the air the distributor arrangement 5 initiated.
  • the pH value or the redox potential value is measured by the sensors 14 and 15.
  • the pH value for the partial-aerobic process is optimally between the values 7 and 9.
  • the partial-aerobic process forms an excellent buffer system and keeps the pH within the desired range even without the addition of neutralizing agents (metering devices 23 and 24).
  • the organic acids are broken down by the microorganisms, and alkaline substances such as NaOH are buffered by the Co 2 formed. Mainly in start-up mode or with sensitive disturbances of the microorganism population z. B. by poisoning, an addition of neutralizing agents (23 or 24) may be necessary. However, these are only at extreme pH values, e.g. B. Less than 3 or greater than 12 metered.
  • the partial aerobic process according to the invention can continue without having to be inoculated with fresh microorganisms. Only the pH and temperature are kept in a medium range for a short time, and the Population of the microorganisms regenerates within 24 hours.
  • the main parameter of the partial aerobic process is the redox potential, which is measured at the measuring point 15.
  • the amount of atmospheric oxygen supplied is changed depending on the redox potential value measured at measuring device 15.
  • the invention is based on knowledge from that a mutual dependency between pH value and redox potential value exists and taken into account in the regulation of the air supply by the metering pump 19 and must be maintained. This is the only way to make strong fluctuations in a very simple way of the treated wastewater compensate and optimal conditions in continuous operation ensure in the high reactor 1, combined with a high degradation capacity.
  • a process computer 30 provided, to which a controller 31, a computing unit 32 and a memory 33 and a Programmer 34 belong.
  • the one obtained by the redox measurement is in the controller 31 Redox potential value not simply with a constant setpoint, but with one of the reference variable dependent on the actual pH value.
  • the guide size is in the computing unit 32 from the actual pH value with the aid of those stored in the memory 33 Characteristic curve won.
  • the characteristic curve with the target relationship between pH value and redox potential value is shown in Fig. 2 of the drawing is shown schematically.
  • the characteristic curve is in the pH range specified here a straight line with a slope previously determined by tests (in the example approx. 88 mV per pH at 37 ° C).
  • One on each side of the characteristic curve 40 is a dash-dotted line Lines 41 and 42 indicate a limited tolerance range in which the microorganism population provides high degradation performance without harmful side effects.
  • negative redox potential results in poor degradation conditions and anaerobic conditions.
  • the limit 42 is exceeded, one occurs increasing flaking.
  • the process computer 30 is used to ensure that even with strong fluctuating pH values, the redox potential and thus the air supply to the fluctuating pH values follow.
  • the correct characteristic curve 40 and possibly also the limits 41 and 42 are entered in the memory 33 in the example described before the start of operation.
  • the memory 33 is programmable.
  • the temperature in the partial aerobic process should be in the range between 20 to 40 ° C, ideally between 35 and 39 ° C.
  • the pollutants are broken down, energy released under the conditions of the partial aerobic process.
  • a high COD content For example, 10,000 mg / l, the wastewater temperature is almost 42 ° C. At this At temperature, the microorganisms are no longer viable.
  • the target temperature and cooling cycle are determined by the Programmer 34 controlled, which, if necessary, for the actuation of the nutrient dosage and the neutralizing agent provides.
  • the microorganisms not only need the dirt load as food and the atmospheric oxygen to reproduce, but they also rely on a number of nutrients.
  • the latter include in particular nitrogen and / or phosphorus.
  • nitrogen and / or phosphorus Have investigations shown that the addition of about 15 g of nitrogen and / or 5 g of phosphorus per kg to be broken down CSB leads to favorable results.
  • the dosage can be simplified when the nitrogen is in the form of nitric acid and phosphorus in the form of phosphoric acid is fed.
  • the nutrients continue to include trace elements. Get the latter all the ions necessary for the catalytic activity of the enzymes in the form of salts.
  • the addition of nutrients to the wastewater takes place in such amounts that the by the Dilution occurring losses of microorganisms can be compensated.
  • the amount of added nutrients is proportional to the amount of supplied wastewater or for dirt load, measured in COD.
  • microorganisms in the wastewater contain that are easily degradable. They are either in the sewage sludge in a sewage treatment plant integrated and help with the removal of the remaining COD or are used by the filter devices of the activated sludge, the higher microorganisms.
  • microorganisms can be separated from the pre-clarified wastewater in the invention will. This can be done, for example, by precipitation with iron. This results in one comparatively small amount of sludge.
  • the advantage of the method described is however in a significantly higher cleaning performance of over 90% of the COD.
  • the method according to the invention has the advantage that partially contaminated wastewater considerable fluctuations in their composition and in the pH-value in a sewage treatment plant can lead to disturbances, evenly and in a previously unattainable way can be cleaned.
  • the ventilation nozzles in the reactor can be arranged differently, as long as the downward-facing one Flow in the inner tube is maintained.
  • the components of the Arrangement may be arranged differently than that shown in Fig. 1.
  • the nutrients and Neutralizing agents can e.g. B. also be added directly to the feed.
  • the composition of the nutrients can be different.
  • the computing unit 32 and the separate memory be dispensed with if the controller 31 is provided with an adjustable correction device which is the actual pH value according to the preset characteristic slope in the required Executives implemented.

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Abstract

Hochkonzentriertes Abwasser wird im Reaktionsraum eines Hochreaktors (1) einem partiell-aeroben Verfahren unterworfen. Die Belüftung des Abwassers erfolgt unter Steuerung des Redoxpotentials. Zu diesem Zweck sind in einer Beipassleitung einerseits Mittel (14) zum Messen des pH-Wertes und andererseits Mittel (15) zum Messen des Redoxpotentialwertes des behandelten Abwassers angeordnet. Der Prozessrechner wirkt über einen Regler (31) auf eine die zugeführte Luftmenge steuerndes Stellglied (19) und regelt den Redoxpotentialwert unter Führung der gemessenen pH-Werte nach einer in einer Speichereinrichtung (33) gespeicherten vorgegebenen Beziehung. Durch die Regelung des Redoxpotentials unter Führung des pH-Wertes wird eine im wesentlichen konstant hohe Abbaurate von 90 % CSB erreicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Abbau organischer Abwasser-Schadstoffe unter Verwendung frei suspendierter Bakterien nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 8.
Im Zuge der verstärkten Trink- und Grundwasserproblematik wird die Aufbereitung von Abwasser, insbesondere der Abbau organischer Abwasser-Schadstoffe immer wichtiger. Im kommunalen Bereich wurden die dem Verursacher belasteten Abwasserkosten nach den Schadstoff-Spitzenwerten berechnet. Hohe Schwankungen in der Abwasserkonzentration führen daher zu erheblichen Abwasser-Kostensteigerungen. Viele Industrieunternehmen, insbesondere solche mit stark schwankenden Abwasserkonzentrationen, legen aus Kostengründen die Abwasserreinigung unmittelbar an die Quelle des Abwasseranfalls. Dadurch können kommunale Kläranlagen entlastet und Abwassergebühren eingespart werden.
Zum Abbau organischer Schmutzfrachten bei hochkonzentrierten Abwässern haben sich sogenannte partiell-aerobe Verfahren bewährt, bei denen die Belüftung des Abwassers und gegebenenfalls die Zugabe von Minimumstoffen zum Abwasser unter Steuerung des Redoxpotentials erfolgt. Unter den Bedingungen des partiell-aeroben Verfahrens sind bekanntlich besonders die Enzyme der Atmungskette der Bakterien bzw. Mikroorganismen aktiv. Nur ein vergleichsweise geringer Teil der Schadstoffe wird für den Aufbau von Biomasse genutzt. Der überwiegende Teil der Schadstoffe wird direkt in Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) umgesetzt. Wichtig ist, dass die zugeführte Luftmenge so dosiert wird, dass die Bakterien das Redoxpotential ihres Mediums in optimale und atmungsaktive Bedingungen führen können. Es wurde gefunden, dass es bei einer Anhebung des Redoxpotentials durch Erhöhung der Luftzufuhr zu einer verstärkten Flockenbildung kommen kann.
Eine Absenkung des Redoxpotentials unterhalb von -300 mV vermindert zwar die Gefahr einer Flockenbildung, verschlechtert aber häufig den Abbauwirkungsgrad der Bakterien.
Aus der DE-OS 32 27 488 ist ein partiell-aerobes Verfahren bekannt, bei dem das Redoxpotential auf einen möglichst konstanten Wert zwischen -200 mV und -300 mV und der pH-Wert ebenfalls im Wesentlichen konstant im Bereich zwischen 7,0 und 9,0 vorzugsweise 8,0 bis 8,1 eingestellt werden sollen.
In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass mit dem bekannten partiell-aeroben Verfahren kritische Konzentrationsschwankungen und vor allem Änderungen der pH-Werte im Abwasser nicht optimal beherrschbar waren, und die Abbauaktivität der Mikroorganismen unter Umständen verringert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das bekannte partiell-aerobe Verfahren und die Anordnung zu dessen Durchführung so zu verbessern, dass eine äußerst hohe, unter Umständen sogar optimale Abbaurate der Schadstoffe ohne beachtliche Flockenbildung selbst bei starken pH-Wert-Schwankungen des Abwassers erreicht wird.
Die Erfindung geht bei der Lösung dieser Aufgabe von der Erkenntnis aus, dass die Bakterien bzw. Mikroorganismen bei schwankenden pH-Werten ihre volle Abbauaktivität entfalten, wenn eine bestimmte Beziehung zwischen den Redoxpotential- und pH-Werten aufrechterhalten wird. Mit anderen Worten, Redoxpotential und pH-Wert brauchen nicht konstant gehalten zu werden, sofern ihre Änderung in gegenseitiger Abhängigkeit durchgeführt wird.
Verfahrensmäßig ist die Erfindung zur Lösung der ihr zu Grunde liegenden Aufgabe dadurch gekennzeichnet,
  • a) dass verschiedenen pH-Werten zugeordnete Redoxpotenialwerte ermittelt werden, bei denen Schadstoffe im Reaktor optimal biologisch abgebaut werden;
  • b) dass aus den ermittelten Werten eine Kennlinie gebildet und gespeichert wird;
  • c) dass aus den betrieblich gemessenen pH-Werten (pH-Istwerten) und den Kennlinienwerten in einem Prozessrechner eine Führungsgröße gebildet und mit betrieblich gemessenen Redoxpotentialwerten (Redoxpotential-Istwerten) verglichen wird, und
  • d) dass die zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit von den Redoxpotential-Istwerten unter Führung der pH-Istwerte geregelt wird.
    • Die Erfindung unterstützt die Mikroorganismen-Kultur darin, nach starken pH-Wert-Änderungen relativ kurzfristig einen Gleichgewichts-pH-Wert einzustellen. Zu diesem pH-Wert gehört ein vorgegebenes Redoxpotential, das durch Regelung der Menge an zugeführter Luft, d. h. an zugeführtem Luftsauerstoff eingestellt wird.
    Wie oben gesagt, werden pH-Wert und Redoxpotential automatisch so aufeinander abgestimmt, dass die Mikroorganismen optimale Lebensbedingungen im Reaktionsraum und im Abwasser vorfinden. Sinkt der pH-Wert beispielsweise auf 6,9 ab, so wird unter Änderung des zugeführten Luftsauerstoffs das Redoxpotential auf einen entsprechend geänderten Wert, zum Beispiel -150 mV geregelt. Es wurde gefunden, dass jedem pH-Wert ein für die Aktivität der Mikroorganismen optimales Redoxpotential zugeordnet ist. Diese Kennlinie des pH-Wertes in Zuordnung zum entsprechenden Redoxpotential lässt sich ohne Schwierigkeiten vorausbestimmen. speichern und während der Regelung zur Bildung der Führungsgröße aus dem Speicher abrufen.
    Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt es, auch bei relativ stark schwankenden pH-Werten die Menge der zugeführten Luft so zu regeln, dass sich keine Flocken bilden. Es wird aber hinreichend viel Luftsauerstoff zur Verfügung gestellt, um einen ausreichenden Energiegewinn der Bakterien über deren Atmungskette zu gewährleisten. Dabei vermehren sich die Bakterien in dem Maße, dass Verluste durch Verdünnung bei neuer Abwasserzufuhr und durch Abführen von vorgeklärter Lösung ausgeglichen werden. Es kann den Bakterien dabei stets ausreichend Luftsauerstoff zur Verfügung gestellt werden, damit sie organische Schmutzfrachten wirksam veratmen und dementsprechend vermindern können. Änderungen des pH-Wertes ändern bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nichts oder nur wenig an der Abbauaktivität der Mikroorganismenkultur im Reaktor. Unter diesen Bedingungen kann sich die Mikroorganismenkultur extrem schnell an Konzentrations- und Schadstoffänderungen anpassen. Die Generationszeit der Mikroorganismen beträgt ca. einen Tag.
    Die Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 8 gekennzeichnet.
    Wesentlich ist, dass ein Prozessrechner mit den pH-Wert und das Reproxpotential laufend messenden Mitteln sowie mit einem die Luftmenge steuernden Stellglied gekoppelt ist und eine Speichereinrichtung aufweist und dass der Prozessrechner so ausgebildet ist, dass er die dem Abwasser zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit von den gemessenen Redoxpotentialwerten unter Führung der gemessenen pH-Werte nach einer in der Speichereinrichtung gespeicherten vorgegebenen Beziehung regelt. Die Abbaubedingungen im Reaktionsraum werden mit Hilfe dieser Anordnung laufend so eingestellt, dass die Mikroorganismenkultur optimale Luftsauerstoffbedingungen bzw. ein optimales Redoxpotential vorfindet.
    Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
    Die Regeleinrichtung sollte vorzugsweise so ausgebildet sein, dass sich das Redoxpotential mit einer Genauigkeit von ± 20 mV auf den zum pH-Istwert gehörigen optimalen Redoxpotentialwert einstellt.
    Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dazugehörigen Anordnung besteht darin, dass dem Reaktionsraum hoch- und höchstbelastete Abwässer mit großen Schwankungsbreiten des pH-Wertes zugeführt werden können. Die CSB-Konzentration kann von 3.000 bis über 100.000 mg/O2/l betragen. Selbst bei stark unterschiedlichen pH-Werten findet der Abbau der organischen Schadstoffe mit gleichbleibender Intensität statt, so dass sich das erfindungsgemäße Verfahren durch eine außergewöhnliche Stabilität auszeichnet. Der pH-Wert der Abwässer kann in Extremfällen zwischen 3 und 12 betragen, ohne dass wesentliche Neutralisationsmaßnahmen notwendig werden.
    Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    Fig. 1
    ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung zum Abbau organischer Abwasser-Schadstoffe; und
    Fig. 2
    eine Kennlinie, welche die Beziehung zwischen pH- und Redoxpotential-Werten zur Einstellung optimaler Abbaubedingungen im Abwasser bei 37 °C veranschaulicht.
    Die erfindungsgemäße Abwasserreinigung findet in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Hochreaktor 1 statt. Dieser ist bis etwa zur Höhe eines Ablaufs 2 mit dem zu reinigenden Abwasser gefüllt. In dem Hochreaktor 1 ist mit allseitigem Abstand ein Innenrohr 3 mit im wesentlichen vertikaler Achse angeordnet. Das Innenrohr 3 ist an sich zylindrisch, weist aber am oberen Ende einen Einlauftrichter auf. Mit Abstand unterhalb des offenen Endes des Innrohrs 3 ist eine Belüftungsdüsenanordnung 5 vorgesehen. Durch die Belüftungsdüsenanordnung 5 wird in einer weiter unten beschriebenen Weise Behandlungsluft im Wesentlichen gleichmäßig verteilt und nach unten in das zu reinigende Abwasser eingeleitet. Die resultierenden Luftbläschen steigen in gleichmäßiger Verteilung vornehmlich außerhalb des Innenrohrs nach oben, wodurch im praktisch blasenfreien Innenrohr durch den Dichteunterschied eine abwärts gerichtete Strömung entsteht. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Strömungsgeschwindigkeit im Innern des Innenrohrs 3 von 2,5 bis 3,5 m/s zu guten Ergebnissen führt. Die Bewegung des Wasser-Luftgemisches unterhalb des Innenrohrs verhindert Ablagerungen und Verstopfungen im Bodenbereich des Hochreaktors 1.
    Die relativ große Höhe des Wasserspiegels innerhalb des Hochreaktors 1 begünstigt die Ausnutzung des durch die Sprühanordnung 5 zugeführten Sauerstoffs. Bei einer Höhe von 7 m Wassersäule beträgt die Sauerstoffausnutzung ca. 55 %. Ab ca. 14 m Wassersäule erhöht sich die Sauerstoffausnutzung auf Werte über 90 %.
    Das anhand von Fig. 1 beschriebene partiell-aerobe Verfahren verhält sich außerordentlich stabil. Dies liegt vor allem daran, dass die Bakterien individualisiert gehalten werden und dadurch rascher wachsen können als vergleichbare Bakterien innerhalb einer Belebtschlammflocke. Die Population an Mikroorganismen im Hochreaktor 1 kann sich innerhalb von wenigen Stunden verdoppeln und an Konzentrationssprünge oder unterschiedliche Inhaltsstoffe anpassen. Eine zusätzliche Vergleichmäßigung der Schadstoffe lässt sich durch einen Vorlagebehälter 6 erreichen, der aber, wie die folgende Beschreibung zeigen wird, in vielen Fällen überflüssig ist. Aus dem Vorlagebehälter 6 wird das zu reinigende Abwasser über eine Pumpe 7 und einen Zulauf 8 in den Innenraum des Hochreaktors 1 eingeleitet. Der Zulauf 8 mündet in den Ringraum zwischen Reaktorwand und Innenrohr 3.
    An einer Stelle 9 des Hochreaktors, an der das Reaktorabwasser eine für die Verfahrensführung repräsentative Zusammensetzung hat, wird eine Teilströmung des Abwassers von einer Förderpumpe 10 in einen zu Mess- und Steuerzwecken dienenden Beipass 11 abgesaugt. Ein anderer Teilstrom wird hinter der Umwälzpumpe 10 abgezweigt und über eine Stichleitung 12 in den Bereich oberhalb des Abwasserspiegels des Reaktors 1 eingeleitet und von dort auf den Wasserspiegel aufgesprüht. Dadurch gelingt es, eine Schaumbildung auf der ohnehin kleinen Oberfläche des Hochreaktors weitgehend zu verhindern.
    Entlang der Beipassleitung wird das abgezweigte Abwasser an verschiedenen Messfühlern 14, 15 und 16 vorbeigeführt, über einen Wärmetauscher 20 eines Kühlkreislaufes geleitet und gegebenenfalls dort temperiert, an Neutralisationsmittel-Dosierstellen 23 und 24 und einer Nährstoff-Zugabestation 25 vorbei und in eine Mischkammer zum Mischen mit der Luft aus der Verteileranordnung 5 eingeleitet.
    Von den Messfühlern 14 und 15 wird der pH-Wert bzw. der Redoxpotentialwert gemessen. Der pH-Wert liegt für das partiell-aerobe Verfahren optimal zwischen den Werten 7 und 9. Das partiell-aerobe Verfahren bildet ein ausgezeichnetes Puffersystem und hält den pH-Wert auch ohne Zufuhr von Neutralisationsmitteln (Dosiervorrichtungen 23 und 24) innerhalb des Sollbereichs. Die organischen Säuren werden durch die Mikroorganismen abgebaut, und alkalische Substanzen, wie NaOH werden durch das gebildete Co2 gepuffert. Vornehmlich im Anfahrbetrieb oder bei empfindlichen Störungen der Mikroorganismenpopulation z. B. durch Giftstöße, kann eine Zudosierung von Neutralisationsmitteln (23 oder 24) notwendig werden. Diese werden allerdings erst bei extremen pH-Werten, z. B. Kleiner 3 oder größer 12, zudosiert.
    Nach solchen Giftstößen kann das erfindungsgemäße partiell-aerobe Verfahren fortgesetzt werden, ohne mit frischen Mikroorganismen angeimpft werden zu müssen. Es müssen nur der pH-Wert und die Temperatur kurzfristig in einem mittleren Bereich gehalten werden, und die Population der Mikroorganismen regeneriert sich innerhalb von 24 Stunden.
    Der wesentliche Parameter des partiell-aeroben Verfahrens ist das Redoxpotential, welches an der Messtelle 15 gemessen wird. Man kann das Redoxpotential als das Maß für die Bereitschaft des Mediums zur weiteren Sauerstoffaufnahme ansehen. Es wurde gefunden, dass ein günstiger Redoxpotentialwert für den Betrieb des partiell-aeroben Verfahrens zwischen -200 und -300 mV liegt. In diesem Bereich treten nur selten Belebtschlammflocken auf. Dennoch ist in dem Abwasser im Innenraum des Hochreaktors 1 eine durchaus aktive Mikroorganismenpopulation anzutreffen. Diese Mikroorganismenpopulation besteht, wie eine mikroskopische Untersuchung zeigt, fast ausschließlich aus Bakterien.
    Bekanntlich werden die Schadstoffe im Abwasser unter angemessenen Bedingungen in Gegenwart der Biomasse deutlich abgebaut. Die Abbaurate ist abhängig von den Inhaltsstoffen und der Abwasserkonzentration. Eine optimale Veratmungsleistung gibt erst bei hohen Abwasserkonzentrationen, beispielsweise ab einem CSB-Wert von ca. 5000 mg/l.
    Wie oben gesagt, ändert man die Menge des zugeführten Luftsauerstoffs in Abhängigkeit von dem an, Meßgerät 15 gemessenen Redoxpotentialwert. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass eine gegenseitige Abhängigkeit zwischen pH-Wert und Redoxpotentialwert besteht und bei der Regelung der Luftzufuhr durch die Dosierpumpe 19 berücksichtigt und aufrechterhalten werden muss. Nur so lassen sich auf höchst einfache Weise starke Schwankungen des behandelten Abwassers kompensieren und optimale Bedingungen im Dauerbetrieb im Hochreaktor 1, verbunden mit einer hohen Abbauleistung, gewährleisten.
    Zu diesem Zweck ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ein Prozessrechner 30 vorgesehen, zu dem ein Regler 31, eine Recheneinheit 32 und ein Speicher 33 sowie ein Programmgeber 34 gehören. Im Regler 31 wird der durch die Redoxmessung gewonnene Redoxpotentialwert aber nicht einfach mit einem konstanten Sollwert, sondern mit einer von dem pH-Istwert abhängigen Führungsgröße in Beziehung gesetzt. Die Führungsgröße wird in der Recheneinheit 32 aus dem pH-Istwert mit Hilfe der im Speicher 33 gespeicherten Kennlinie gewonnen.
    Die Kennlinie mit der Sollbeziehung zwischen pH-Wert und Redoxpotentialwert ist in Fig. 2 der Zeichnung schematisch dargestellt. Die Kennlinie ist in dem hier angegebenen pH-Bereich eine Gerade mit einer zuvor durch Untersuchungen bestimmten Steigung (im Beispiel ca. 88 mV pro pH bei 37 °C). Zu beiden Seiten der Kennlinie 40 ist ein von jeweils strichpunktierten Linien 41 und 42 begrenztes Toleranzfeld angegeben, in welchem die Mikroorganismenpopulation ohne schädliche Nebeneffekte eine hohe Abbauleistung erbringt. Bei zu negativem Redoxpotential ergeben sich, wie Fig. 3 zeigt, schlechte Abbauverhältnisse und anaerobe Zustände. Zur anderen Seite hin kommt es bei Überschreiten der Grenze 42 zu einer zunehmenden Flockenbildung.
    Wichtig ist, dass mit Hilfe des Prozessrechners 30 dafür gesorgt wird, dass selbst bei stark schwankenden pH-Werten das Redoxpotential und damit die Luftzufuhr den schwankenden pH-Werten folgen. Die richtige Kennlinie 40 und gegebenenfalls auch die Grenzen 41 und 42 sind bei dem beschriebenen Beispiel vor Betriebsbeginn in den Speicher 33 eingegeben. Der Speicher 33 ist programmierbar.
    Bekanntlich soll die Temperatur beim partiell-aeroben Verfahren im Bereich zwischen 20 bis 40 °C, optimalerweise zwischen 35 und 39 °C liegen. Beim Abbau der Schadstoffe wird unter den Bedingungen des partiell-aeroben Verfahrens Energie freigesetzt. Bei hohem CSB-Gehalt von beispielsweise 10.000 mg/l liegt die Abwassertemperatur bei nahezu 42 °C. Bei dieser Temperatur sind die Mikroorganismen nicht mehr lebensfähig. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Abwasser im Beipass 11 über den Wärmetauscher 20 auf eine geeignete Solltemperatur gekühlt werden. Solltemperatur und Kühltakt werden durch den Programmgeber 34 gesteuert, der auch bei Bedarf für die Betätigung der Nährstoffdosierung und der Neutralisationsmittel sorgt.
    Die Mikroorganismen benötigen nicht nur die Schmutzfracht als Nahrung und den Luftsauerstoff zur Vermehrung, sondern sie sind auch auf eine Reihe von Nährstoffen angewiesen. Zu letzteren gehören insbesondere Stickstoffe und/oder Phosphor. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Zudosierung von ca. 15 g Stickstoff und/oder 5 g Phosphor pro kg abzubauendem CSB zu günstigen Ergebnissen führt. Die Dosierung kann dabei vereinfacht werden, wenn der Stickstoff in Form von Salpetersäure und Phosphor in Form von Phosphorsäure zugeführt wird. Zu den Nährstoffen zählen weiterhin Spurenelemente. Letztere erhalten alle für die katalytische Aktivität der Enzymene nötigen Ionen in Form von Salzen.
    Die Zugabe von Nährstoffen zu dem Abwasser erfolgt in solchen Mengen, dass die durch die Verdünnung entstehenden Verluste an Mikroorganismen ausgeglichen werden. Die Menge der zugefügten Nährstoffe ist bei dem beschriebenen Verfahren proportional zur Menge des zugeführten Abwassers bzw. zur Schmutzfracht, gemessen in CSB.
    Auch nach Austritt des Abwassers über den Ablauf 2 sind im Abwasser Mikroorganismen enthalten, die gut abbaubar sind. Sie werden in einer Kläranlage entweder in den Klärschlamm integriert und helfen beim Abbau des Rest-CSB oder werden von den Filtereinrichtungen des Belebtschlamms, den höheren Mikroorganismen, eliminiert.
    Die Mikroorganismen können bei der Erfindung aus dem vorgeklärten Abwasser abgetrennt werden. Dies ist beispielsweise durch Fällung mit Eisen möglich. Dabei ergibt sich eine vergleichsweise geringe Schlamm-Menge. Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens liegt allerdings in einer deutlich höheren Reinigungsleistung von über 90 % des CSB.
    Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass hochbelastete Abwässer mit zum Teil erheblichen Schwankungen in ihrer Zusammensetzung und im pH-Wert, die in einer Kläranlage zu Störungen führen können, vergleichmäßigt und in bisher nicht erreichbarer Weise gereinigt werden können.
    Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwandlungen möglich. So können etwa die Belüftungdüsen im Reaktor anders angeordnet werden, solange die abwärts gerichtete Strömung im Innenrohr erhalten bleibt. Selbstverständlich können die Komponenten der Anordnung anders angeordnet sein, als dies in Fig. 1 dargestellt ist. Die Nährstoffe und Neutralisationsmittel können z. B. auch dem Zulauf direkt zugegeben werden. Auch die Zusammensetzung der Nährstoffe kann eine andere sein.
    Die Abhängigkeit von Redoxpotential und pH-Wert kann durch zahlreiche alternative Anordnungen realisiert werden. So kann auf die Recheneinheit 32 und den gesonderten Speicher verzichtet werden, wenn der Regler 31 mit einer einstellbaren Korrektureinrichtung versehen ist, die den pH-Istwert entsprechend der voreingestellten Kennliniensteigung in die benötigte Führungsgröße umsetzt.

    Claims (13)

    1. Verfahren zum Abbau organischer Abwasser-Schadstoffe unter Verwendung frei suspendierter Bakterien, wobei das Abwasser in einem Reaktionsraum umgewälzt und belüftet wird, die zugeführte Luftmenge entsprechend den Behandlungsbedingungen des Abwassers geregelt wird und Redoxpotential- und pH-Werte überwacht werden,
      dadurch gekennzeichnet,
      a) dass verschiedenen pH-Werten zugeordnete Redoxpotentialwerte ermittelt werden, bei denen Schadstoffe im Reaktor optimal biologisch abgebaut werden;
      b) dass aus den ermittelten Werten eine Kennlinie gebildet und gespeichert wird;
      c) dass aus den betrieblich gemessenen pH-Werten (pH-Istwerten) und den Kennlinienwerten in einem Prozessrechner eine Führungsgröße gebildet und mit betrieblich gemessenen Redoxpotentialwerten (Redoxpotential-Istwerten) verglichen wird; und
      d) dass die zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit von den Redoxpotential-Istwerten unter Führung der pH-Istwerte geregelt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass eine Teilmenge des Abwassers aus dem Reaktionsraum abzweigt, über einen Mess- und Steuerbeipass geleitet und an einer anderen Stelle wieder in den Reaktionsraum zurückgeführt wird; und dass Prozessvariable, z. B. pH-, Redoxpotential- und Temperatur-Istwerte in dem Mess- und Steuerbeipass gemessen werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 2,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass die Temperatur des Abwassers im Mess- und Steuerbeipass geregelt wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 3,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass das Abwasser im Reaktionsraum auf einer Temperatur im Bereich von 20 bis 40 °C, vorzugsweise zwischen 35 und 39 °C gehalten wird.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass als Reaktionsraum ein Hochreaktor verwendet wird, in desen Bodenbereich die geregelte Luftmenge im wesentlichen gleichmäßig verteilt zugeführt und mit dem zu behandelnden umgewälzten Abwasser vermischt wird.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüch 1 bis 5,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass dem Abwasser für die Vermehrung der Mikroorganismen notwendige Nährstoffe in einem vorgegebenen Verhältnis zur Menge des neu zugeführten Abwasssers beigemischt werden.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass Neutralisationsmittel zugemischt werden, wenn das zugeführte Abwasser einen pH-Wert außerhalb eines Bereiches von 3 bis 12 hat.
    8. Anordnung zum Abbau organischer Abwasser-Schadstoffe, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass in einem Hochreaktor (1) ein Reaktionsraum zur Behandlung des schadstoffbelasteten Abwassers vorgesehen ist, dass der Hochreaktor Mittel zum Zuführen des zu behandelnden Abwassers (6, 7) und zum geregelten Zuführen von Luft (19, 5) aufweist; dass Mittel zum Messen des pH-Wertes (14) und des Redoxpotentialwertes (15) des behandelten Abwassers vorgesehen sind; dass ein Prozessrechner (30) mit den Mitteln zum Messen des pH-Wertes und des Redoxpotentials sowie mit einem die zugeführte Luftmenge steuernden Stellglied (19) gekoppelt und mit einer Speichereinrichtung (33) versehen ist; und dass der Prozessrechner (30) so ausgebildet ist, dass er die dem Abwasser zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit von den gemessenen Redoxpotentialwerten (15) unter Führung der gemessenen pH-Werte (14) nach einer in der Speichereinrichtung (33) gespeicherten vorgegebenen Beziehung regelt.
    9. Anordnung nach Anspruch 8,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass Mittel (16) zum Messen der Temperatur des behandelten Abwassers und Mittel (20, 21) zur Temperatureinstellung des behandelten Abwassers mit dem Prozessrechner (30) gekoppelt sind.
    10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass das Abwasser über eine Beipassleitung (11) umgewälzt wird, die Beipassleitung in Bodennähe des Reaktionsraums in den Hochreaktor mündet und alle Mess-Stellen (14 bis 16) in der Beipassleitung angeordnet sind.
    11. Anordnung nach Anspruch 10,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass Nährstoffdosiermittel (25) und pH-Wert-Neutralisierungsmittel (23, 24) mit der Beipassleitung (11) verbunden sind.
    12. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass ein beidseitig offenes Rohr (3) mit allseitigem Abstand vertikal im Hochreaktor eingebaut ist und dass sich das Rohr am oberen Ende trichterförmig erweitert.
    13. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass oberhalb des Füllspiegels des Hochreaktors eine Beregnungseinrichtung zum Zerstören von Schaumbläschen angeordnet ist.
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